In-situ degassing studies on crystal-free and crystal- bearing Stromboli basalts: implication for Stromboli volcano eruptions

Stromboli volcano (Aeolian Islands, Italy) has two types of magma: volatile-rich, aphyric magma (LP) that produces pumices and volatile-poor, highly porphyritic magma (HP) that produces scoria. This work studies how changes of magma properties affect the bubble formation and growth, and the dynamics of volcano eruptions. The first part of this work is a study of bubble formation and growth in crystal-free Stromboli basalts. Using X-ray microtomography (µCT) I studied the 3-D bubble sizes and distributions, determined the permeability with lattice-Boltzmann simulations and laboratory measurements, investigated the factors that control the occurrence of Darcian and non-Darcian flow, and delineated the Darcian and non-Darcian flow regimes in the vesicular Stromboli basalts by constraining the correlations between friction factor (fk) and Forchheimer number (Fo). The second part of this work is based upon degassing experiments of crystal-bearing basalts at a synchrotron X-ray beamline. I studied 3-D crystal sizes and distributions, investigated the crystal effect on bubble sizes and distributions with X-ray µCT, and measured the magma permeability. The results demonstrate that the permeabilities of crystal-bearing Stromboli basalts are about 1 to 2 orders of magnitude higher than those in crystal-free samples in the porosity range of 31.6 to 55.3%. Based on my experimental results, I propose that the higher permeability in crystal-bearing samples results in highly efficient degassing in the shallow, highly porphyritic (HP) magma as opposed to the deeper, aphyric (LP) magma. The LP magma flows up in a cylindrical conduit due to the density and viscosity difference between the two magmas. We calculated the ascending LP magma volume flux and the descending HP magma volume flux, showing that LP magma can be efficiently transferred through the overlying HP magma, implying that this type of convection can potentially cause the more-violent paroxysmal explosions occasionally observed at Stromboli.Le volcan Stromboli (îles Éoliennes, Italie) a deux types de magma: un magma aphyrique, riche en volatiles et produisant du pumice, et un magma hautement porphyritique produisant de la scorie. Cette étude documente l'influence de variations en propriétés magmatiques sur la formation et la croissance de bulles, et leur impact sur la dynamique des éruptions volcaniques. En première partie, la formation et la croissance des bulles a été étudiée dans les basaltes stromboliens sans cristaux. J'ai étudié par microtomographie en rayons-X la distribution tri-dimensionnelle et la taille des bulles dans ces basaltes vésiculés, quantifié leur perméabilité par des simulations de type Boltzmann sur réseau et par des mesures en laboratoire, investigué les facteurs qui contrôlent l'écoulement darcien et non-darcien, et délimité ces deux régimes en contraignant les corrélations entre le facteur de friction (fk) et le nombre Forchheimer (Fo). La deuxième partie est une étude expérimentale in situ sur une ligne synchrotron du dégazage de basaltes contenant des cristaux. La distribution tri-dimensionelle des cristaux et leur effet sur la taille des bulles et la perméabilité du magma ont été quantifiés par microtomographie rayons-X. Les valeurs de perméabilité des basaltes de Stromboli contenant des cristaux sont d'un à deux ordres de grandeur plus élevées que celles de basaltes sans cristaux, pour des valeurs de perméabilité allant de 31.6 à 55.3%. Ces résultats expérimentaux suggèrent que la perméabilité plus élevée des échantillons de basaltes contenant des cristaux favorise le dégazage des magmas hautement porphyritiques situés à faible profondeur, relatif aux magmas aphyriques et présents à plus grande profondeur. Le magma aphyrique remonte le long d'un conduit cylindrique à cause des différences de densité et viscosité entre les deux types de magmas. Des calculs de flux volumique d'un magma aphyrique ascendant et d'un magma porphyritique descendant démontrent que le magma aphyrique peut circuler efficacement et traverser un magma porphyritique sus-jacent. Ce type de convection pourrait potentiellement causer les éruptions paroxysmales observées sporadiquement à Stromboli